专利名称：采用复合磁性物质的电动势发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用做电气和电子器件的构成材料的复合磁性物质，以及包含复合磁性物质的感生电动势发生器。
日本审查后的专利公开昭55-15797、昭59-12142、昭61-28196、昭4-49070等公开了采用复合磁性物质产生感生电动势的传统技术。
例如，某些磁传感器包括围绕磁性金属单细线卷绕的检测线圈，已经过应力处理等，当对其施加外磁场时产生脉冲电压。
在采用强磁性物质的传统电气和电子器件中，因强磁性物质形状产生的不可避免的退磁场存在退磁效应，从而降低了电磁转换效率。
在磁传感器中，存在例如基于自退磁率的有效磁能降低的问题，所以提高输出被认为导致不可估量的损失。
此外，由于近年来具有高检测灵敏度的微型磁传感器通常使用半值宽度小的检测信号和尖锐脉冲电压，所以难以使用它们直接驱动功能元件例如晶体管或存储电路，或者用做数据处理及其外围电路的电源能量。
本发明的目的在于提供有效地发生较大电动势的装置，并且提供形成磁传感器和发生电动势的器件的详细方法。
本发明所用的复合磁性物质是通过聚集大量的复合磁性成分形成的，每个成分包括固定磁性成分和磁性耦合在一起的磁各向异性的双稳磁性成分。这种复合磁性物质具有在反向起作用的退磁场，取决于由其最终形状决定的自退磁系数和其磁性成分的性能。
在此情况，固定磁性成分在一定方向上(称为正向)具有较大的矫顽力和磁各向异性，包括与该一定方向相反的方向在内(称为反向)，双稳磁性成分具有较小的矫顽力和单轴磁各向异性。
对复合磁性物质施加用于设定的较弱磁场作为第一外磁场时，固定磁性成分的磁化被完全反转，其接受来自退磁场的第二反向磁化，达到稳定的磁化状态(称为设定状态)，与固定磁性成分成为非平行。
接着，对复合磁性物质施加用于复位的较强磁场作为第二外磁场，退磁场被抵消，双稳磁性成分磁化于正向。
以此作为触发器，双稳磁性成分接受基于相邻固定磁性成分的磁化和复位磁场的磁化的组合作用的磁可逆效应，使其磁化瞬时反转到稳定的平行状态(称为复位状态)。
因此，对例如其上卷绕有电磁线圈的一定复合磁性物质，交替施加用于设定的反向磁场和用于复位的正向磁场，双稳磁性成分被退磁场的可逆效应反复地反转。
此时的磁通量产生电动势。因此，从而获得独特的特性，即使外磁场极慢地达到预定值，感生电动势也大致恒定。
此外，采用根据本发明的复合磁性物质产生电动势的原理不同于传统方法，当双稳磁性成分的磁化反转时感生电动势。
因此，确定了复合磁性物质的构成材料、最终形状、和其它磁性能后，双稳磁性成分的反转速度本身设定为一定的值。这考虑了感生总是具有大致恒定量的电动势的良好现象。
因此，本发明的电动势发生器获得了电动势E＝e+U，其中电动势U正比于从外界与电磁线圈链接的磁通量φ的瞬时变化率，基于传统的假想电磁感应，一般认为U＝-dφ/dt。当外加磁场的瞬时变化率小时，或者当磁通量链接超慢时，电动势降低，最后达到几乎U＝0。
当双稳磁性成分包括具有不同级大小的矫顽力的各种成分时，在退磁场或外磁场作用下它们的磁化按各级依次反转，可以对应地产生连续的电动势。
而且，在正向或反向脉动地施加较弱外磁场，具有把双稳磁性成分的磁化瞬时反转补充至设定状态的作用，这是通过磁场实现的，从而可以更有效地产生电动势。
图1是具有退磁场功能的复合磁性物质的构成示意图，这是相同物质在设定状态的磁性方位的例子。
图2是处于设定状态的复合磁性物质的磁性方位例子的示意图。
图3是复合磁性物质的另一种方位的实施例的示意图及其局部放大图。
图4是展示包括多层复合磁性物质的另一种方位的实施例的示意图。
图5A和5B是包括围绕磁性合金单线层叠的大量磁性层的复合磁性物质的实施例，图5A是磁性层的局部剖面方位的透视图，图5B是整个构成的剖切面不意图。
图6是包括围绕大量复合磁性线束卷绕的电磁线圈的实施例的示意图。
图7是复合磁性物质的尺寸比例K与其自退磁系数N、与包括束的复合磁性线的数量之间的关系曲线图。
图8是证实退磁场功能的测试所确定的结果例，展示了对复合磁性线束施加外磁场的条件和电动势e。
图9是展示包括装配于另一种方位的复合磁性物质的电磁线圈的电动势发生器原理的构成示意图。
图10是一对磁性传感器彼此非常靠近设置的实施例示意图，每个传感器包括围绕复合磁性物质卷绕的电磁线圈。
图11是磁化处理的示意图，其中靠近磁性传感器设置永磁体并且旋转，磁性传感器包括围绕单一复合磁性物质卷绕的电磁线圈。
图12是包括大量围绕圆筒配置的复合磁性物质的电动势发生器的示意图，永磁体在圆筒内旋转。
图13是包括沿圆筒形复合磁性物质内面旋转的永磁体的电动势发生器另一个实施例的示意图。
图14是电动势发生器另一实施例的主要部分示意图，其中在偏置磁场下交变磁场链接于复合磁性物质。
以下将介绍基于上述原理和磁性方位的优选实施例。
首先，说明本发明所用的复合磁性物质的磁性能。
图1是复合磁性物质的示意图，每个包括双稳磁性成分1和固定磁性成分的磁性层2，它们提供单轴磁各向异性并且直接或通过位于其间的中间层(图中未示出)磁性耦合在一起。在此实施例中，这些多层紧密堆叠在一起，形成一体复合磁性物质4。
固定磁性成分2(由白色大箭头表示)具有较大的矫顽力，在正向(向右)永久磁化。双稳磁性成分1具有较小的矫顽力，自身磁化在反向(向左)，这取决于退磁场5的大小(由白色小箭头表示)。图中所示情况是在反向施加外磁场(图中未示出)，从而双稳磁性成分1和固定磁性成分2被完全彼此反平行地设定。
然后，如图2所示，当在正向(向右)对复合磁性物质4施加外磁场6(由黑色大箭头表示)时，退磁场5被抵消。同时，作为外磁场6的磁化效应和固定磁性成分2的磁相互交换效应的组合磁性作用，双稳磁性成分1被瞬时反转为正向，从而平行复位。
接着，当施加的外磁场6被中断时，由退磁场5的作用产生的控制功能使双稳磁性成分1变换返回设定状态，与固定磁性成分2反平行。此时，通过在反向施加用于设定的弱磁场(图中未示出)可以实现更好的设定状态。
图3展示了薄膜或涂敷膜形成的较为扁平的复合磁性物质4的构成实施例，其中大量的复合磁性物质3在A-B方向具有单轴磁各向异性，每个包括与固定磁性成分2磁性耦合的双稳磁性成分1。还展示了其局部放大的剖面。此时，复合磁性物质4具有的宽度B-C足够地短于其长度A-B，显然当B-C短于A-B时退磁场5的作用增大，反转磁化作用于双稳磁性成分1。
此外，图4展示了包括大量层叠的扁平复合磁性物质4形成复合磁性物质13的实施例。
图5A和5B展示了具有退磁场功能的复合磁性物质4的构成，包括从磁性合金单线的芯部向外层叠的磁性多层。在这种复合磁性线中，双稳磁性成分1用做最外部位8，固定磁性成分2用做内层，另一双稳磁性成分1用做辅助内层，固定磁性成分2用做芯部。如图1所示，这些图展示了通过激励退磁场5和用于设定的反向磁场来设定磁化的状态。
然后，在正向(向右)施加外磁场，按与图2介绍的方式大致相同地使双稳磁性成分1的磁化复位。
这样，通过把磁通量的变化链接于电磁线圈来产生感生电动势，磁通量的变化来源于复位磁化并且再次返回设定状态时双稳磁性成分的反转。
图6展示了围绕包括大量复合磁性线束10的复合磁性物质13卷绕的电磁线圈14。当对复合磁性物质13间歇地链接反向磁场6s以及之后的正向外磁场6r，双稳磁性成分与退磁场效应结合，其磁化被每次链接反复反转。此时，在电磁线圈14中产生电动势E，其大小对应于包括线束的复合磁性线的数量。
在这种情况，施加于复合磁性物质的外磁场间歇速度即使极慢，例如小于1Hz，电动势的波形高度与电动势速度是20Hz的情况相同。
这种复合磁性物质中的退磁场，一般正比于复合磁性物质的磁化强度和由其形状决定的自退磁系数N的乘积。因此，线剖面越长和越窄，系数N就越小，退磁场效应就越小。
图7展示了自退磁系数N和复合磁性线的尺寸比例k(＝L/2r)之间的关系，其中r是线的半径，L是其长度。
当复合磁性物质包括大量配置成棒状束的长度为L的复合磁性线时，这实际等同于线的剖面面积的增大，因此其尺寸比例k值降低，平均自退磁系数N降低，提高了退磁场的效应。
此外，右侧的垂直轴代表紧密捆扎在一起的复合磁性线的数量，这是采用直径2r＝0.25mm、长度L为50mm的复合磁性线获得的结果。如图7所示，一条复合磁性线具有足够大的尺寸比例k，其自退磁系数N因此小。所以，双稳磁性成分本身的退磁场效应产生几乎非自发反转。因此，仅需要施加用于设定的反向磁场Hs，以便设定双稳磁性成分并且完全反转磁化。
图8展示了电动势e的测试结果例，这是对包括不同数量复合磁性线的各种复合磁性物质依次施加用于设定的磁场Hs和用于复位的Hr(80Oe恒定值)所获得的。在包括25和100条线束(n＝25，n＝100)的复合磁性物质的情况，即使在用于设定的磁场Hs＝0，也可见退磁场效应反转双稳磁性成分，从而有助于产生电动势。
特别是，包括100条线的束(n＝100)呈现强的退磁场功能，使所有双稳磁性成分的磁化反转到设定状态。因此，仅施加用于复位的磁场Hr即可产生大致恒定的电动势。但是，电动势并不总是直接正比于束中线的数量而增大，发生效率趋于下降。
以下，将说明制造复合磁性线10的特定方法。
例如，绞合具有较大磁性形变的Fe-Co-V系双合金细线，使其含有一定的绞合应力，此时在线的外侧上形成具有小矫顽力的双稳磁性成分。线芯包括单一复合磁性线10，其具有较大的固定磁性成分特性，在束中可以设置一定数量的线，形成具有自退磁系数的棒状复合磁性物质13。
另外，当对Fe-Ni系坡莫合金线施加绞合应力时，矫顽力大的固定磁性成分形成在线外侧。线芯包括单一复合磁性线10，其具有双稳磁性成分的特性，可以在束中设置大量的这些线，形成棒状复合磁性物质13。
图9展示了磁性传感器16，通过围绕包括混合磁性氧化物的复合磁性物质15卷绕电磁线圈14，形成棒状复合磁性传感器。施加正向外磁场的永磁体17每次移动到靠近在先对传感器施加反向外磁场(图中未示出)的位置并移动离开那里，正如箭头所示，复合磁性物质15的双稳磁性成分的磁化被反转，感生电动势E。
在此情形，通过聚集大量的微粒例如氧化铁粉末，形成复合磁性物质15，包括在A至B方向磁化的固定磁性成分，其与磁化方向由退磁化功能和反向外磁场决定的双稳磁性成分耦合。
图10展示了包括分别围绕复合磁性物质15和18卷绕的电磁线圈14和19的磁性传感器16和20。如箭头所示，通过移动磁性传感器16和20以其间一定的空隙非常靠近，感生电动势E。
复合磁性物质15的固定磁性成分在S至N的方向磁化，如图10所示，按与具有N极和S极的磁体相同的方式磁力线向外分布。
复合磁性物质18的功能相同。因此，当对峙的磁性传感器16和20以其间一定空隙非常靠近在一起，通过它们的双稳磁性成分的磁化反转产生的电动势感生在电磁线圈14和19中。
图11展示了包括围绕多层复合磁性物质7卷绕的电磁线圈14的的磁性传感器16，多层复合磁性物质具有如图5的实施例所述的退磁场功能。通过设置靠近磁性传感器16的永磁体17，并且围绕旋转轴21使其旋转，来感生电动势E。
图11所示的配置是这样的，复合磁性物质7在从A到B的方向磁化，作用在永磁体17正向(即向右)的磁场使双稳磁性成分复位。
当永磁体17旋转180度时，双稳磁性成分反转到设定状态。每当通过相同的反转使状态从设定转变为复位，则感生电动势E。
按此方式施加交变磁场时，如果在每次均对复合磁性物质7施加正向偏置作用，则连续形成用于激励交变的设定和复位状态的磁性过程的反对称励磁方式。通过用复合磁性物质13或15代替复合磁性物质7可以实现相同的效果。
图12展示了旋转元件，包括两个沿圆筒28内表面旋转的永磁体22和23，和围绕圆筒28外表面设置的固定元件，固定元件包括围绕复合磁性物质24卷绕的电磁线圈25和27等，每个复合磁性物质24包括多条复合磁性线束10。参考标号29代表旋转轴。
在这种构成中，通过串联、并联等连接电磁线圈聚集电动势，可以使波形高度或输出宽度提高。
图13展示的电动势发生器包括固定元件和电磁线圈32，固定元件包括通过围绕圆筒30的周边设置大量复合磁性线10而形成的圆筒状复合磁性物质31，电磁线圈32围绕整个圆筒状复合磁性物质31卷绕。围绕圆筒内侧旋转的旋转元件包括装配于旋转轴的多个永磁体22。
圆筒30包括施加反向磁场的较弱永磁体33，该磁场比在设定状态的圆筒状复合磁性物质31的较弱。这种磁化补充了由退磁场引起的双稳磁性成分的磁化瞬时反转到设定状态。因此，其作用在于当永磁体22等设置得靠近在一起时从多条复合磁性线10有效地产生感生电动势。
在上述的电动势发生器中，通过把磁性发生源装配于固定元件、大量的复合磁性物质装配于旋转元件而颠倒上述构成时，可以获得相同的效果。
施加交变磁场作为外磁场的一种方法，包括在一定的方向对设置有线圈的复合磁性物质施加偏置磁场。
采用这种方法时，可以交替获得对复合磁性物质进行设定和复位的磁化过程。
此外，当施加用于产生商用ac电流和高频dc电流作为外磁场时，这种施加外磁场的方法可以同样采用。
亦即，如图14所示，外磁场H+和H-是相等的正负交变磁场，并且链接于包括电磁线圈14和永磁体35的复合磁性物质15。
这种方式可以用于ac电流波导中的电流检测等，如下所述。
永磁体35施加偏置磁场Hb，设置成添加在外磁场H+的一定方向上。此时，Hb最好设置成稍大于复合磁性物质的矫顽力Hc的值(Hc≤Hb)。
当超过ac波导的特定值的过电流馈给ac波导时，产生反对称励磁，从而用于设定的外磁场Hs(＝H--Hb)作用于反向，用于复位的外磁场Hr(＝H++Hb)作用于正向。因此，由于可以在每个循环产生电动势，获得了重复性极好的过电流检测装置。
这种对交变磁场施加偏置磁场的方法具有自动再现复合磁性物质的先前磁化状态的作用，实现了在产生电动势时恒定限制磁场。
磁性金属、磁性氧化物、相同或不同材料例如金属化合物和非晶磁性材料的组合、复合磁性物质的磁性颗粒混合物、或者结晶和非晶磁性层的组合等，可以用做上述复合磁性物质的构成材料。然后，通过将其配置成为薄膜，多层的压制尖角或圆形束，可以形成具有一定退磁场功能的复合磁性物质。
而且，通过把多个不同类的磁性合金圆柱接合成为单一棒状并配置成一线，采用如此形成的包覆线，或者通过对不同类磁性合金进行电镀、淀积、溅射、喷射等，也可以获得具有退磁场功能的复合磁性物质。
当然，可以对这种棒状磁性物质附加连续的铁部件，可以弯曲这种物质在其中形成闭合磁路。
在这些构成中，可以设置电绝缘层和非磁性层、不同的磁性层等，作为双稳磁性成分和固定磁性成分之间、大量复合磁性成分或复合磁性物质之间的中间层。这种中间层延伸了磁相对作用并增强了各层之间的退磁场控制，防止涡流损耗等。
例如，虽然图中未示出这些，对包括多层磁性层混合物等的复合磁性物质各层之间的处理是有效的，例如在图1、2、3和4所示构成的各层之间，或者在图5的复合磁性线10的线和表面绝缘之间，设置绝缘，对图7所示的复合磁性物质构成中的不同磁性颗粒的表面进行绝缘。
采用本发明的复合磁性物质产生的电动势不同于传统的电动势，这取决于磁场的磁通量链接数量的变化比。
根据本发明产生的电动势基于磁化的自身高速反转，这种反转产生于外磁场用做触发器时，双稳磁性成分和具有退磁场功能的复合磁性物质之内的固定磁性成分的相对作用。
因此，本发明具有感生大小基本恒定的电动势的优异效果，即使以超低速旋转永磁体产生外磁场时、或者旋转速度不规则时也是如此。
由于按此方式外磁场慢并不成为问题，所以本发明有利于作为旋转式电动势发生器，和具有利用风速、流动水、或某些这种能源驱动的大检测电动势的磁传感器。
而且，由于根据本发明的电动势发生器输出较大的能量，所以其输出信号足以直接驱动电子电路例如晶体管、存储器等。因此，例如可以构成为用于存储信号发生量的器件，而不会长时间消耗能量等。
而且，当产生于ac波导的磁场链接于复合磁性物质时，可以实现有利于在感生电动势时刻检测通过电流或过电流的构成。还有利于形成采用LED直接监测电动势产生时刻的器件，用于插入光导纤维长距离测量电动势产生时刻的器件等。
权利要求
1.一种采用复合磁性物质的电动势发生器，包括装配有线圈的复合磁性物质，通过聚集大量磁性成分而形成，该磁性成分包括在预定方向具有磁各向异性的固定磁性成分，与在该预定方向具有单轴磁各向异性的双稳磁性成分磁性耦合，具有退磁场功能，围绕复合磁性物质卷绕有电磁线圈，从而链接复合磁性物质中的磁通量；外磁场施加装置，用于对装配有线圈的复合磁性物质施加磁场，使双稳磁性成分在预定方向磁化，并且使双稳磁性成分在与预定方向相反的方向磁化。
2.根据权利要求1的采用复合磁性物质的电动势发生器，复合磁性物质包括大量复合磁性线的束，每条线具有较大矫顽力的固定磁性成分作为线芯或线周边，具有较小矫顽力的双稳磁性成分作为另一部分，从而具有退磁场功能。
3.根据权利要求1的采用复合磁性物质的电动势发生器，进行磁性处理以此施加外磁场，从而使在反平行于固定磁性成分的设定状态磁化的双稳磁性成分，反转到平行于固定磁性成分的复位状态，通过取消外磁场获得的退磁场作用，使双稳磁性成分反转回到设定状态。
4.根据权利要求1的采用复合磁性物质的电动势发生器，包括，外磁场施加装置，其中施加交变磁场作为外磁场，通过对装配线圈的复合磁性物质在预定方向恒定施加偏置磁场，对复合磁性物质的磁化过程交替进行设定和复位。
全文摘要
采用复合磁性物质的电动势发生器,包括:装配有线圈的复合磁性物质,通过聚集大量磁性成分而形成,该磁性成分包括在预定方向具有磁各向异性的固定磁性成分,与在该预定方向具有单轴磁各向异性的双稳磁性成分磁性耦合,具有退磁场功能,围绕复合磁性物质卷绕有电磁线圈,从而链接复合磁性物质中的磁通量;外磁场施加装置,用于对装配有线圈的复合磁性物质施加磁场,使双稳磁性成分在预定方向磁化,并且使双稳磁性成分在与预定方向相反的方向磁化。
文档编号H02N11/00GK1266992SQ0010689
公开日2000年9月20日 申请日期2000年3月11日 优先权日1999年3月11日
发明者松下昭 申请人:松下昭, 株式会社日本系统研究所